姜海波，翟 賓，賀新征，羅朝華

(國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450000)

換流站閥冷卻系統(tǒng)可靠性分析與評估

姜海波，翟 賓，賀新征，羅朝華

(國網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450000)

近年來換流閥冷卻系統(tǒng)頻繁故障導(dǎo)致直流系統(tǒng)單雙極閉鎖，其可靠性對跨區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定運行影響非常大，然而相關(guān)文獻對高壓直流輸電系統(tǒng)進行可靠性評估時，凡涉及到閥冷卻系統(tǒng)均以故障忽略不計為參數(shù)假設(shè)進行研究，與工程實際情況有一定的偏差。文中結(jié)合了故障樹 (FTA)法，根據(jù)系統(tǒng)抽樣樣本的統(tǒng)計特征來獲得系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，建立了換流閥冷卻系統(tǒng)可靠性模型，為決策者提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

換流閥冷卻系統(tǒng);故障樹;可靠性評估;串聯(lián)系統(tǒng)

2003～2010年間，跨區(qū)電網(wǎng)直流系統(tǒng)發(fā)生多起停運事故，國家電網(wǎng)所屬的12座換流站共發(fā)生80起直流閉鎖，其中僅換流閥冷卻系統(tǒng)故障原因?qū)е聠坞p極閉鎖就發(fā)生了18起，占全部事故總數(shù)的22.5%［1］。截止2011年11月，南方電網(wǎng)4條直流輸電系統(tǒng)因閥冷系統(tǒng)故障發(fā)生直流閉鎖事件22次，其中單極閉鎖21次，雙極閉鎖1次［2］。

隨著跨區(qū)聯(lián)網(wǎng)的需要，高壓直流輸電工程日益增多，其可靠性已成為影響整個電力系統(tǒng)安全運行的重要因素。文獻［3］從元件層面說明高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性影響程度，提出了直流系統(tǒng)元件可靠性靈敏度指標，結(jié)合故障樹法及頻率和持續(xù)時間法建立了高壓直流輸電系統(tǒng)元件可靠性靈敏度分析的組臺模型。文獻［4］根據(jù)直流系統(tǒng)設(shè)備的功能和失效模式對直流系統(tǒng)子系統(tǒng)進行重新劃分，提出了以系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移抽樣模擬法為基礎(chǔ)，并結(jié)合解析法對高壓直流輸電系統(tǒng)進行可靠性評估的混合法，該方法先用解析法將含有備用相關(guān)性的設(shè)備簡化為等效子系統(tǒng)，然后再對簡化后的整個直流系統(tǒng)可靠性模型利用模擬法得到系統(tǒng)的可靠性指標。閥冷卻系統(tǒng)作為直流系統(tǒng)重要的輔助設(shè)備，文獻［3］和［4］都未對直流輸電系統(tǒng)中的冷卻系統(tǒng)進行可靠性評估，這是因為高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評估、元件可靠性靈敏度分析通常以部分元件或子系統(tǒng)故障忽略不計為參數(shù)假設(shè)進行研究，而對于工程實際情況而言，部分元件或子系統(tǒng)的可靠性是一個重要因素，一旦出現(xiàn)故障將會導(dǎo)致直流閉鎖，對電網(wǎng)產(chǎn)生極大的危害。文獻［4］和［5］采用故障樹方法對具體設(shè)備進行分析，提出了提升系統(tǒng)運行可靠性的相關(guān)措施，有很高的借鑒意義。所以，本文以換流站閥冷卻系統(tǒng)為研究對象，針對閥冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運行方式，根據(jù)系統(tǒng)抽樣樣本的統(tǒng)計特征建立了換流閥冷卻系統(tǒng)可靠性模型，為決策者提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 換流閥冷卻系統(tǒng)概況

1.1 換流閥冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

換流閥是換流站的核心設(shè)備，目前在運的換流站中，換流閥額定電流最高已達4 500 A，正常運行時，大電流通過換流閥產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致晶閘管、電抗器等器件溫度急劇上升，為防止這些元件因溫度過高而損壞，需配置閥冷卻系統(tǒng)對換流閥進行冷卻。目前，閥冷卻系統(tǒng)包括閥內(nèi)冷系統(tǒng)和閥外冷系統(tǒng)兩部分。閥內(nèi)冷系統(tǒng)是一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)，它通過冷卻介質(zhì)的流動帶走換流閥產(chǎn)生的熱量，其冷卻介質(zhì)通常采用去離子水;閥外冷系統(tǒng)根據(jù)冷卻方式的不同，可分為水冷和風(fēng)冷兩種形式。閥外水冷系統(tǒng)是一個開放式的水循環(huán)系統(tǒng)，用經(jīng)過軟化處理的水通過冷卻塔持續(xù)對閥內(nèi)水冷系統(tǒng)管道進行冷卻，降低閥內(nèi)水冷溫度。由于受地區(qū)環(huán)境影響，部分換流站采用閥外風(fēng)冷系統(tǒng)，如靈寶背靠背換流站，使用大功率風(fēng)扇對閥內(nèi)水冷管道進行吹拂冷卻，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 換流閥冷卻系統(tǒng)簡圖

1.2 換流閥冷卻系統(tǒng)故障特點

根據(jù)換流閥冷卻系統(tǒng)運行情況的統(tǒng)計結(jié)果，閥冷系統(tǒng)存在的問題主要分為閥冷系統(tǒng)一次設(shè)備、閥冷控制保護系統(tǒng)、傳感器三大類。

a. 閥冷卻系統(tǒng)一次設(shè)備存在的主要問題有管道內(nèi)殘留大量氣體、閥塔支路冷卻水管堵塞發(fā)熱、閥塔漏水、內(nèi)冷水濾網(wǎng)堵塞、內(nèi)冷水電導(dǎo)率高、外冷水補水過濾器堵塞、主泵機械密封滲漏水、外冷水管爆裂、冷卻塔結(jié)垢、外冷水池流入閥冷卻室噴淋泵泵坑、管道閥門滲漏水、主循環(huán)泵和噴淋泵故障。例如2007年9月5日葛洲壩站因長期振動導(dǎo)致極2內(nèi)冷水系統(tǒng)1號主泵軸承損壞、陶瓷密封圈破裂漏水，閥漏水保護動作，極2強迫停運。

b. 閥冷控制保護系統(tǒng)存在的主要問題有變頻器故障、繼電器輔助觸點脫離繼電器本體、繼電器故障、直流電源擾動、噴淋泵電源跳閘、保護定值設(shè)置不合理、切換邏輯不完善、閥冷控制器工作性能不穩(wěn)定和抗干擾性能差等。例如2010年12月3日銀川東站2臺主泵定期切換時，過流定值未躲過由變頻切換工頻時的啟動電流，造成兩套內(nèi)水冷循環(huán)泵開關(guān)相繼跳閘，極1強迫停運。

c. 傳感器存在的主要問題有傳感器故障、傳感器工作不穩(wěn)定、傳感器電氣部分松動等。例如2005年10月15日鵝城站極1內(nèi)冷水保護A系統(tǒng)閥出水溫度傳感器E1.BT1故障，引起溫度測量誤差，內(nèi)冷水出水溫度保護在動作出口前未進行系統(tǒng)切換，極1強迫停運。

2 可靠性評估方法

2.1 FTA 法

故障樹分析法 (Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)是一種使用圖形演繹邏輯推理方法，用圖說明系統(tǒng)的失效原因，把系統(tǒng)的故障與組成系統(tǒng)的部件故障有機地聯(lián)系在一起，可以找出系統(tǒng)全部可能的失效狀態(tài)，也就是故障樹的全部最小割集，或者稱它們是系統(tǒng)的故障譜，最后利用故障樹分析計算系統(tǒng)可靠性指標，其分析過程如圖2所示。

圖2 故障樹法分析流程

其分析步驟如下。

a. 選擇頂事件，一般選取系統(tǒng)的故障狀態(tài)作為故障樹的頂事件。

b. 建立故障樹。從故障樹的頂事件開始，對故障狀態(tài)進行分解，并用與門、或門或者選擇等邏輯關(guān)系符號進行連接，建立故障樹。

c. 求故障樹最小割集。設(shè)故障樹T，集合B1，B2，…，Bm，滿足:

式中:Bi={xi1，xi2，…，xik}是基本故障事件的集合，當(dāng)且僅當(dāng)在這些基本故障事件剛發(fā)生時，頂事件才能發(fā)生，則這一集合為故障樹的一個割集。如果集合中任意一個事件不發(fā)生，頂事件也不再發(fā)生，則這個集合為故障樹的最小割集。

d. 求出故障樹的所有最小割集后，則可以計算頂事件發(fā)生的概率為

故障樹分析的關(guān)鍵是求解故障樹的最小割集、最小路集、不交化最小割集或不交化最小路集，從而進行定性、定量分析計算。

2.2 可靠性參數(shù)有關(guān)計算

a. 串聯(lián)系統(tǒng)

式中:λ為元件故障率;μ為修復(fù)率;n為串聯(lián)的元件個數(shù)。式中:n為并聯(lián)的元件個數(shù)。

2.3 可靠性指標

a. 平均無故障運行時間MTBF(Mean Time Between Failure)，以tMTBF表示。

b. 平均故障持續(xù)時間 MDT(Mean Down Time)，以tMDT表示。

c. 能 量 不 可 用 率 UA(Unavailability)，以 εUA。

d. 能 量 可 用 率 A(Availability)，以 εA表示。

各指標計算如下:

3 分析與計算

3.1 HVDC換流閥冷卻系統(tǒng)故障樹

根據(jù)目前換流閥冷卻系統(tǒng)的故障情況，在建立閥冷卻系統(tǒng)故障樹時，把閥冷卻系統(tǒng)導(dǎo)致直流閉鎖的故障作為底事件，然后根據(jù)底事件導(dǎo)出6個系統(tǒng)事件。分別是閥冷漏水故障、閥冷主泵故障、閥冷系統(tǒng)程序故障、電源及回路故障、CPU模塊及繼電器故障、傳感器故障等。這6個事件屬于中間事件，然后再由這6個中間事件導(dǎo)出23個基本事件，最后將這一系列事件組成邏輯圖，即形成閥冷系統(tǒng)故障樹，如圖3所示。

圖3 閥冷系統(tǒng)故障樹

表1 閥冷卻系統(tǒng)故障原始數(shù)據(jù)

根據(jù)上述設(shè)備缺陷分類，以某換流站閥冷卻系統(tǒng)為例進行缺陷統(tǒng)計，總?cè)毕輸?shù)為16項，則具體缺陷分布比例如表1所示。

根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)，只能初步得知閥冷冷卻系統(tǒng)故障率主要集中在設(shè)備機械部分及傳感器兩方面，不能全面反映閥冷系統(tǒng)運行的可靠性數(shù)據(jù)，必須根據(jù)系統(tǒng)中每個抽樣樣本統(tǒng)計特征，并結(jié)合可靠性評估方法計算系統(tǒng)的可靠性。表2所列基本事件對應(yīng)的故障概率數(shù)據(jù)來源于文獻 ［7～10］，表示閥冷卻系統(tǒng)中具體設(shè)備部件發(fā)生的故障概率。

3.2 故障樹評定

根據(jù)FTA計算法，采用上行法或下行法很容易求得變壓器故障樹的最小割集為

B={A1，A2，A3，A4，A5，A6，B1，B2，B3，B4，C1，C2，C3，D1，D2，D3，D4，E1，E2，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4}

故障樹最小割集共計23個，均為一階最小割集。

由式 (2)可得閥冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障的概率為

由此可得閥冷卻系統(tǒng)的可靠度為

表2 閥冷卻系統(tǒng)故障樹的基本事件及故障概率

若以閥冷卻系統(tǒng)連續(xù)運轉(zhuǎn)為計算，則系統(tǒng)可無故障工作1.18年。

4 結(jié)束語

本文基于故障樹分析的方法對高壓直流換流閥冷卻系統(tǒng)進行可靠性分析，計算快捷、方便、可靠。由于FTA法從引起系統(tǒng)失效的原因出發(fā)，列出了所有可能引起系統(tǒng)失效的事件，在實際工程應(yīng)用時，只要獲得了閥冷卻系統(tǒng)基本部件的故障規(guī)律、故障率數(shù)據(jù)，就可計算出每個子系統(tǒng)或設(shè)備對統(tǒng)可靠性指標的影響大小，為換流閥冷卻系統(tǒng)的改進提供一些可靠性建議。

［1］ 國家電網(wǎng)公司.直流換流站2003～2010年單雙極閉鎖統(tǒng)計匯編 ［G］.2010.

［2］ 南方電網(wǎng)公司.南網(wǎng)直流閥冷系統(tǒng)運行情況 ［G］.2011.

［3］ 周家啟，陳煒駿，謝開貴，等.高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性靈敏度分析模型［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(19):18-23.

［4］ 王 遂，任 震，蔣金良.混合法在高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評估中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(12):42-46.

［5］ 劉遠超.淺談故障樹分析方法及其在熱電廠中的應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù)，2004，25(7):28-30.

［6］ 陳 剛.電力變壓器典型故障及其演變［J］.東北電力技術(shù)，2002，23(4):5-8.

［7］ 劉惟信.機械可靠性分析 ［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［8］ 陳敏樣.電動機壽命分布分析和可靠性估計 ［J］.電機與控制學(xué)報，1998，1(2):88-91.

［9］ 黃洪劍，林瑞光.無刷直流電機可靠性及其故障模式分析［J］.電機與控制學(xué)報，2000，4(4):198-201.

［10］ 褚慶忠.電機可靠性評估的若干問題 ［J］.防爆電機，1999(4):1-15.

Reliability Analysis and Assessment of Converter Station Valve Cooling System

JIANG Hai-bo，ZHAI Bin，HE Xin-zheng，LUO Chao-hua
(State Grid Henan Electric Power Company Maintenance Company，Zhengzhou，Henan 450000，China)

In recent years，frequent accidents of the converter valve cooling system caused single bipolar block of HVDC，which brings a big influence on stable operation of interconnected power grid.However，evaluating the reliability of HVDC transmission system in related literatures interms of valve cooling system，they assumed that the valve cooling systems had no fault.Therefore，the researches have certain deviation from the actual project situation.According to fault tree analysis，it gets the reliability parameter of the system on the basis of the characteristics of systematic sampling，establishing reliability model of the converter valve cooling system and providing basic data support for decision makers.

Converter valve cooling system;Fault-tree;Reliability evaluation;Series system

TM721

A

1004-7913(2014)03-0052-04

姜海波 (1981—)，男，碩士，工程師，從事高壓直流輸電技術(shù)，換流站運行維護工作。

2013-12-20)